基于沉浸式虛擬現實腦卒中偏癱上肢功能康復系統構建及臨床可行性研究

危昔均，韋亦茜，秦 萍，周 萍，李 賽，王冰水，李 海，楊萬章

虛擬現實(virtual reality，VR)技術已在腦卒中康復中得到廣泛應用，其臨床應用價值得到許多研究支持，包括娛樂性和治療性的虛擬現實系統[1-2]。根據VR技術應用形式分類，大致可分為浸入程度較弱、通過普通顯示器實現人機交互的投影式VR和浸入程度較強、通過頭戴顯示設備達到人機交互的沉浸式VR[3]。目前，大部分研究涉及的技術均為投影式VR[1]。由于投影式VR的技術限制，病人進行上肢功能康復時，必須始終注視前方顯示器，這導致訓練過程對真實日常生活場景的還原程度較低，如病人將手伸向側方取物品時，真實情況應該是病人需同時旋轉身體和頭部，這在投影式VR技術下難以實現。

隨著頭戴式VR技術發展，上述問題逐漸有了解決方案，并在康復領域得到嘗試[4]，應用領域包括運動損傷[5]、單側忽略[6]、上肢運動功能障礙[7]、步態異常[8]、認知功能障礙[4]和疼痛[9]等。在腦卒中上肢功能康復方面，通過沉浸式VR與鏡像療法(mirror therapy)相結合的形式進行了可行性測試，發現每天30 min，持續4周的治療對門診腦卒中慢性期病人是可以承受的，亦無眩暈不良事件發生[7]。目前，基于沉浸式VR技術應用于腦卒中上肢功能康復的研究還比較缺乏[4，10]，繼續探索其應用于腦卒中住院病人上肢功能康復的可行性有利于推進該技術臨床應用。因此，本研究基于沉浸式VR技術構建上肢功能協調訓練系統，并對其應用于腦卒中住院病人的可行性進行探討，為該技術的臨床應用研究提供初步參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本研究招募了16例參與者，男女比例為13∶3；年齡(50.56±11.89)歲；發病時間(128.31±110.48)d；發病類型：腦梗死14例，腦出血2例；患側左側7例，右側9例；簡易精神狀態測試量表(Mini-mental Status Examination，MMSE)[13]評分為(27.94±3.32)分。本研究屬于VR系統的構建和臨床可行性研究，因此，并未對納入病人進行分組試驗，僅進行治療前后的對照研究。

1.2 診斷標準 腦卒中診斷標準，參照1996年中華神經科學會和中華神經外科學會于《中華神經科雜志》發表的《各類腦血管疾病診斷要點》相關內容[11]。

1.3 納入標準 有影像學診斷證據；有明顯偏癱癥狀；年齡>18歲；坐位平衡功能達到3級；上肢功能水平達到4級(偏癱上肢功能評定-中國香港版，FTHUE-HK)[12]；意識清晰，可配合評估和VR上肢功能訓練。

1.4 排除標準 上肢有疼痛或者其他癥狀影響運動功能表現；使用VR設備出現眩暈或其他身體不適情況；拒絕簽署知情同意書；正在參加其他可能影響上肢功能表現的研究。

1.5 脫落標準 再發腦卒中或者其他影響上肢功能的疾病；研究期間主動要求退出；未完成治療次數而出院。脫落病人的數據處理方法為：病人突然出院或者不愿意接受出院評估時，使用最近一次數據為治療后數據；病人提前出院，且愿意接受出院評估時，則使用最后一次評估的數據。

1.6 治療方法 所有參與者均進行為期3周，每周5 d，每天30 min，共計15次，450 min VR訓練。病人除了接受常規住院康復治療，包括物理治療、作業治療、言語治療、吞咽治療、理療、針灸、推拿等，額外每天進行30 min的沉浸式VR上肢功能訓練(包括系統調試和上肢功能測試占10 min，20 min連續上肢功能訓練)。VR訓練系統軟件部分采用Unity3D搭建，VR場景輸出硬件部分使用桌面電腦端HTC vive pro 2.0套裝(包括VR頭盔、定位器和手柄)。虛擬場景見圖1所示，病人與虛擬場景的交互通過手柄完成。病人每天進行VR訓練前均會進行系統重置，確保病人所坐或站的區域與圖1中兩個虛擬木箱的中點對應。系統重置完成后，病人通過手柄將身體兩側的白球向外側方推至最遠處，距離為病人將患手往外和過中線可觸及的最遠距離，推球時允許病人旋轉或者側屈身體。然后，病人通過手柄拿起前方的籃子開始上肢功能訓練。在訓練過程中，前方會隨機出現不同的物品，以特定的速度飛向病人，病人需要使用籃子將物品接住并放入指定的木箱。隨著接物品的效率越來越高，物品飛行的速度會逐漸加快，反之亦然，病人接物品的效率變低時，物品飛行的速度會下降。訓練前和訓練中的參數，包括患側上肢向左右側的伸展距離、總計接到物品的數量、物品飛行的平均速度和訓練時間都會記錄在系統數據庫，訓練并于每次訓練結束后，在正前方的顯示板展示病人過程中一段時間的訓練表現。

圖1 病人使用VR系統進行上肢功能康復示意圖

1.7 評定方法 行為學觀察指標，包括FTHUE-HK測評[14]、箱塊測試(Box and Block Test，BBT)[15]、九洞板測試(Nine-Hole Peg Test，NHPT)[16-17]、改良巴氏指數(Modified Barthel Index，MBI)測評[18-19]。運動學觀察指標，包括患側上肢向側方的伸展距離(包括健側和患側)、物品飛行平均速度和成功接住物品并倒入框的數量。其中，向側方伸展的距離主要反映偏癱上肢分離運動水平[20]，物品飛行速度主要體現病人上肢協調運動能力[21]，而接住物品并倒入框的數量體現病人的活動成功率。

2 結 果

本研究中1例男性病人接受3次VR治療后，因為感覺像小孩子玩游戲而拒絕繼續參與，但其愿意在3周后接受評估，所以該病人的數據仍被納入分析。其他病人均順利完成實驗。

16例病人接受3周治療后，各項功能表現均存在不同程度的提升。由于FTHUE-HK、BBT、健側伸展距離和每分鐘得分通過Kolmogorov-Smirnov檢驗，符合正態分布的要求，所以使用配對樣本t檢驗進行數據分析。其中，運動學數據方面的健側伸展距離和每分鐘得分差異有統計學意義(P<0.05)，而行為學評定FTHUE-HK和BBT差異均無統計學意義(P>0.05)。行為學評定MBI、NPHT和運動學評定健側伸展距離、平均速度由于不符合正態分布要求，采用Wilcoxon檢驗，發現治療前后功能變化比較差異有統計學意義(P<0.05)。詳見表1。

表1 研究對象治療前后各項功能指標比較 (±s)

接受VR治療期間， 1例因個人原因退出試驗，余15例病人未出現不適或其他不良事件，包括前期研究報道的眩暈。但部分女性病人提及頭盔較重致使頸部在治療后即刻感覺疲勞，但午休或者第2天起床后可以自行消退。大部分參與者在結束治療3周后的訪問時反饋治療形式新穎、有趣、互動性強，且較傳統康復形式更容易疲勞。

3 討 論

基于VR技術構建腦卒中上肢功能訓練系統過程中需要重點考慮的因素包括VR活動形式和VR參數調整，以體現康復治療技術中運動學習的理念[22]。以前許多研究使用投影式VR游戲作為干預手段，而這些用于健康人娛樂的VR游戲僅適用于極少部分功能較好的病人或者游戲設計并不能滿足康復需求[23]，另外，也有許多學者透過投影式VR技術搭建了康復系統，但甚少涉及沉浸式VR技術進行構建[1]。Crosbie等[24]使用頭戴式顯示器和數據手套搭建的沉浸式VR康復系統，主要通過在虛擬環境中進行重復伸展或者伸展抓握練習，從而達到鍛煉上肢功能的效果，且涉及主要參數調整包括伸展的距離、高度和速度，調整參數的維度與本研究搭建的系統類似，但由于并未談及這些參數在調控練習難易程度時的策略，因此無法進一步進行對比研究。本研究發現，對這些參數進行單維度和多維度的動態調整，練習難度的變化存在較大差異，并可能直接影響運動學習過程，例如：僅對伸展距離進行動態調整時，病人較容易找到最佳練習距離，而同時對距離和速度進行動態調整時，病人變得難以適應，不易找到最佳鍛煉參數。Weber等[7]研究中使用了VR技術與鏡像治療相結合的康復系統，但這套系統并未涉及難度調整方面的設置，僅進行不同康復場景的切換，導致這種系統設計差異的原因可能與該系統僅用于鏡像治療，且病人僅通過健側上肢進行人機交互有關。另外，在Huang等[25]描述研究計劃中，VR系統設置了不同的上肢功能活動，病人練習過程中也涉及從早期康復時的健側帶動患側完成，逐漸轉換至單純由患側完成，但亦未提及活動轉換的機制和活動難度調整的策略。目前，基于沉浸式VR技術開發的康復治療系統在單維度和多維度參數調整方面仍有許多基礎研究亟待開展。

基于VR技術的康復治療系統干預上肢功能的臨床價值初步得到體現。Laver等[1]系統性回顧研究發現，VR技術支持下的康復治療直接與傳統康復方法對比差異無統計學意義，效應值為0.07，體現兩組臨床療效相似，然而，當病人基于傳統康復方法再額外增加VR訓練時，側效應值達0.49，呈現組間差異有統計學意義。但是，目前并沒有辦法確定病人接受額外的VR訓練帶來的益處是由于更多的訓練時間，還是因為VR不一樣的康復鍛煉形式導致的。雖然，Laver等[1]研究并未把投影式娛樂性VR游戲、投影式治療性VR康復系統和沉浸式治療性VR康復系統進行區分，這導致研究之間的異質性較大，而這些訓練形式和難度調整策略的差異可能影響病人的運動學習和功能獲取，但至少可以確定，基于VR的康復治療與傳統的康復方法是等效的。這與Weber等[7]前瞻性研究和本研究結果類似。本研究發現病人在接受3周沉浸式VR上肢功能訓練后，所有的運動學參數均有改善，行為學評定工具也提示靈巧功能(NPHT)和基本日常生活活動能力(MBI)得到明顯改善。雖然在協調功能和上肢功能分級方面比較差異無統計學意義，但也有較好的功能恢復趨勢(BBT)，樣本量的不足可能是導致這一現象的主要原因[24]。這些研究結果提示，基于沉浸式VR技術的訓練方法在促進上肢功能恢復方面具有較好的臨床應用潛力。

沉浸式VR技術下的上肢功能訓練具有較高的安全性和耐受性。確認病人能夠在虛擬空間進行連續訓練的時間，對沉浸式VR技術是否有足夠的時間窗支撐運動訓練是非常重要的[26]。以前研究采用每天VR干預強度一般為20～60 min/d，有些結合機器人訓練方式甚至達到2 h/d，持續療程為2～9周[1]。在沉浸式VR干預強度方面，Crosbie等[24]采用30～45 min，Weber等[7]采用30 min，均發現病人可以較好地耐受。本研究發現病人在沉浸式VR下的20 min練習，產生的疲勞程度與40 min的治療室傳統康復類似，這可能與虛擬環境下進行的主動功能活動更加頻繁有關[23]。在本研究中，也有些病人在開始階段感覺20 min的強度過大，難以一次堅持完成訓練。這種情況下，嘗試根據病人的自身感覺，通過中間暫停休息和每天逐漸增加訓練時間的方式，最終讓病人達到20 min的運動強度。在重復性運動訓練的過程中，塑型治療技術(shaping)是非常關鍵的因素，影響著病人的運動學習效率[27-28]。因此，在本研究設計系統過程中，增加了與以前研究類似的智能難度調整機制[24]，使病人始終接受著與他們即時能力相匹配的運動難度，這可能也是導致部分病人感覺運動強度大的原因。這些研究提示，當前技術條件下的沉浸式VR康復鍛煉對引導病人進行上肢功能鍛煉是可行和安全的。

綜上所述，基于目前的沉浸式VR技術進行腦卒中偏癱上肢功能訓練，對病人具有較好的安全性和可行性，甚少出現明顯的不適，能較好地滿足臨床需求。進一步的研究方向包括通過隨機對照方式驗證沉浸式VR技術下上肢功能訓練的有效性；依據臨床需求進行個性化訓練系統設計；多維度參數調整對病人活動表現、相關療效影響機制及干預劑量研究。由于本研究僅對沉浸式VR訓練系統的構建和臨床應用的可行性進行探討，因此，在樣本量計算、對照組設置和病人發病時間區分方面并未進行很好的控制，這些問題可能限制本研究在療效結果方面的代表性。